岩石学报  2018, Vol. 34 Issue (8): 2275-2294   PDF    
柴北缘西端盐场北山铜镍硫化物矿床镁铁-超镁铁质岩体岩浆演化过程及含矿性分析
钱兵1 , 张照伟1 , 李文渊1 , 敬志成2 , 邵继3     
1. 国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 中国地质调查局西安地质调查中心, 西安 710054;
2. 青海省柴达木综合地质矿产勘查院, 格尔木 816000;
3. 青海省核工业地质局, 西宁 810008
摘要:盐场北山岩体位于柴北缘造山带西段,是区内近年来新发现的具有良好铜镍矿化的镁铁-超镁铁质岩体,由橄榄岩相、辉石岩相和辉长岩相岩石组成。锆石U-Pb年代学研究表明,岩体形成时代为258.5±1.6Ma,为晚二叠世岩浆作用的产物。岩石中橄榄石Fo分子为82.8~86.7,均为贵橄榄石,辉石由斜方辉石和单斜辉石组成,斜方辉石种属为古铜辉石,单斜辉石为透辉石、普通辉石和顽透辉石。岩石地球化学特征显示,岩石属于亚碱性岩系列,主要氧化物SiO2、Al2O3、CaO、TiO2、Na2O+K2O等与MgO呈规律性变化趋势,显示不同岩相岩石为同源岩浆演化的产物;岩石相对富集大离子亲石元素(Rb、Ba、Sr),而强烈亏损高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf、Ti),具有岛弧岩浆岩特征;锆石Hf同位素显示εHft)均为正值,变化范围为0.1~6.7之间,具有幔源岩浆成因特征;岩石原生岩浆为MgO含量略大于13.21%的高镁拉斑玄武质岩浆,岩浆源区为受俯冲洋壳析出流体交代地幔楔而成的富集地幔。岩石结晶过程中发生了强烈的结晶分异作用和同化混染作用,结晶分异作用在岩浆演化的初期使岩浆中硫发生初步富集,地壳混染作用是岩浆中硫化物达到饱和并发生熔离的主要因素。
关键词: 地壳混染     结晶分异     镁铁-超镁铁质岩石     盐场北山地区     柴北缘    
Magma evolution and Ni-Cu sulfide mineralization potentiality of the Yanchangbeishan mafic-ultramafic intrusion in the western North Qaidam orogenic belt
QIAN Bing1, ZHANG ZhaoWei1, LI WenYuan1, JING ZhiCheng2, SHAO Ji3     
1. MLR Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposit; Xi'an Center of China Geological Survey, Xi'an 710054, China;
2. Integrated Geological Exploration Team of Geermu, Geermu 816000, China;
3. Qinghai Geological Survey of Nuclear Industry, Xining 810008, China
Abstract: The Yanchangbeishan mafic-ultramafic intrusion with Ni-Cu mineralization, newly discovered in the western North Qaidam orogenic belt, consists of peridotite, pyroxenite, and gabbro. Zircon chronology shows that the mean U-Pb age of the zircons in these mafic-ultramafic rocks is 258.5±1.6Ma, suggesting that these rocks formed in Late Permian. In these rocks, the olivines are chrysolites (Fo=82.8~86.7), the orthopyroxenes are bronzites, while the clinopyroxenes consist of diopside, augites, and endiopsides. The petrochemistry shows that these rocks belong to sub-alkaline series, and their main oxides (SiO2, Al2O3, CaO, TiO2, Na2O+K2O) have a regular variation with MgO, indicating that the different lithofacies have same magmatic source and evolution. All these rocks are rich in large ion lithophile elements (Rb, Ba, Sr) and depleted in high strength field elements (Nb, Ta, Zr, Hf, and Ti), showing the geochemical characteristics of the arc magma. The zircon Hf isotopes show positive εHf(t) values (0.1~6.7), indicating that the magma originated from the mantle source. The primary magma of these rocks belongs to high-Mg tholeiitic basaltic series, with MgO contents of more than 13.21%, which were derived from the enriched mantle that formed by the precipitated fluids replaced the mantle wedges. In the process of rock crystallization, strong crystallization fractionation, assimilation, and contamination have occurred. The crystallization fractionation promoted sulfur element in the magma during the initial stage of magmatic evolution, the crustal contamination is the main factor for causing the sulfides saturation in the magma.
Key words: Crustal contamination     Crystallization differentiation     Mafic-ultramafic rocks     Yanchangbeishan area     North Qaidam orogenic belt    

中国与铜镍矿床有关的镁铁-超镁铁质岩体多形成于新元古代和晚古生代(汤中立, 2004, 2005; 李文渊, 2007)。新元古代岩体主要形成于大陆边缘裂谷环境,以金川岩体为代表(825Ma)(Xu et al., 2007; Zhang et al., 2010);晚古生代岩体主要产于东天山造山带中(298~269Ma)(Han et al., 2004; Zhou et al., 2004; 韩宝福等, 2004; 毛启贵等, 2006; Song et al., 2011, 2013; Deng et al., 2014, 2015; 孙涛等, 2010; Qin et al., 2011; 张照伟等, 2012; Zhang et al., 2014)和攀西一带大陆溢流玄武岩中(260~250Ma)(Wang et al., 2006; Song et al., 2008; Zhong et al., 2007; 王登红等, 2007; Sun et al., 2008),分别以新疆的喀拉通克、黄山东、图拉尔根、坡北,以及四川力马河、云南白马寨为代表。近年来,随着柴达木盆地西北缘牛鼻子梁铜镍矿床及柴达木南部东昆仑造山带中夏日哈木铜镍矿床的发现,越来越多地质工作者开始重视柴达木周缘镍矿找矿工作,大批镁铁-超镁铁质岩体被发现。前人对这些岩体的形成时代进行了大量的研究工作,初步厘定出以夏日哈木、牛鼻子梁、石头坑德和冰沟南为代表的晚古生代(411~333Ma)镍矿成矿事件(凌锦兰等, 2014; 王冠等, 2014; Li et al., 2015; 姜常义等, 2015; 钱兵等, 2015, 2017; 张照伟等, 2015, 2017; Song et al., 2016; Zhang et al., 2017)。笔者及所在团队在研究过程中,发现除晚古生代成矿期外,柴达木周缘还存在早中生代(约250Ma)镍铜成矿事件,主要以盐场北山、开木棋、拉陵高里沟脑和小尖山等岩体为代表(王亚磊等, 2017)。前人对区内晚古生代(411~367Ma)镍铜成矿过程已开展了大量的工作(王冠等, 2014; Li et al., 2015; 姜常义等, 2015; 张照伟等, 2015; Song et al., 2016; Zhang et al., 2016, 2017),但是早中生代(约250Ma)镍矿成因研究却相对甚少,制约了区内镍矿床成因认识及找矿方向。

盐场北山岩体位于柴北缘造山带西段,是柴达木盆地周缘目前早中生代时期发现的成矿规模最大的岩体,已累计探明Ni金属(334)资源量约2.06万吨(青海省柴达木综合地质矿产勘查院, 2014),平均品位0.20%~0.51%,伴生Cu金属资源量约9800吨,平均品位0.10%~0.30%。由于研究程度较低,该岩体的规模与形态、岩石类型、含矿性及成矿条件等尚不清晰,亟需开展系统性研究工作。鉴于此,本文在大量野外地质观察基础上,通过对盐场北山岩体开展矿物学、矿物晶体化学、年代学、锆石Hf同位素地球化学及岩石地球化学研究工作,确定原生岩浆性质、岩浆演化过程及岩体形成构造环境,探讨成岩成矿条件。本次工作对认识柴达木盆地周缘早中生代镍矿成因及评价区域镍矿找矿潜力提供了重要的理论依据。

① 青海省柴达木综合地质矿产勘查院. 2014.青海省冷湖行委盐场北山铜多金属矿预查报告

1 区域地质背景

研究区位于南祁连地块和柴达木地块拼合部位(图 1a),地处柴达木盆地北缘青海冷湖地区,西距阿尔金断裂约20km,大地构造位置属于柴达木盆地北缘造山带西段。柴北缘造山带总体呈NW-SE向展布,北西端被阿尔金断裂所截,东延接青海南山断裂与武山-天水-商丹断裂构造带相连(孙延贵等, 2004)。柴北缘造山带由北向南可划分为柴北缘早古生代结合带、欧龙布鲁克微陆块和宗务隆山晚古生代-早中生代裂陷带三个构造单元(青海省地质矿产局, 1991; 辛后田等, 2006)。柴北缘早古生代结合带内包含了前寒武纪含榴辉岩中深变质岩片(宋述光和杨经绥, 2001; 杨经绥等, 2001)和由早古生代蛇绿岩、岛弧火山岩(赖绍聪等, 1996)及陆源碎屑岩、中酸性火山岩与碳酸盐(滩间山群)构成的蛇绿构造混杂岩片,柴北缘早古生代总体环境为洋陆间互的多岛弧洋盆环境(彭渊, 2015)。欧龙布鲁克微陆块呈NWW-SEE向分布于鱼卡、大柴旦、锡铁山、德令哈欧龙布鲁克和乌兰以北一带(图 1a),具有古老地块双层结构模式(郝国杰等, 2004),其结晶基底由古元古代德令哈片麻岩、莫河片麻岩、达肯大坂群和中元古代万洞沟群组成。宗务隆山晚古生代-早中生代裂陷带北侧祁连地块沿青海南山断裂逆掩于宗务隆构造带之下,南侧沿宗务隆南缘断裂带由北向南逆冲推覆至柴北缘欧龙布鲁克地块之上,构造带组成物质为C-P岛弧火山岩、弧后沉积-火山岩及蛇绿岩残片等构造岩片,构成晚古生代蛇绿构造混杂岩带(彭渊, 2015)。

图 1 柴北缘造山带区域大地构造简图(a, 据张建新等, 2015修改)及盐场北山岩体地质图(b, 据青海省柴达木综合地质矿产勘查院, 2014) (a) 1-太古代-古元古代变质基底;2-中-新元古代深变质岩石;3-新元古代(?)变质岩;4-早古生代俯冲增生杂岩;5-早古生代沉积建造;6-晚古生代-中生代沉积建造;7-新生代沉积岩;8-HP/LT变质岩;9-超高压变质岩;10-花岗岩;11-断裂带;12-含铜镍矿化镁铁-超镁铁质岩体;(b) 1-第四系;2-黑云斜长片麻岩;3-混合岩化片麻岩;4-燕山期石英闪长岩;5-辉长岩;6-橄榄二辉岩;7-二辉橄榄岩;8-镍矿(化)体;9-断裂;10-钻孔及编号;11-勘探线及编号.年龄数据来源:牛鼻子梁(钱兵等,2015);冰沟南(张照伟等,2017);开木琪(Liu et al., 2018); 拉陵高里沟脑(王亚磊等,2017);小尖山(王亚磊等,2017);夏日哈木(Li et al., 2015); 石头坑德(Zhang et al., 2018); 尕秀雅平(周伟等,2015);呼德生(钱兵等,2017) Fig. 1 Regional tectonic map of the North Qaidam orogenic belt (a, modified after Zhang et al., 2015) and geological map of Yanchangbeishan intrusion (b) (a) 1-Archaean-Palaeoproterozoic metamorphic basement; 2-Meso-Neoproterozoic katametamorphic rocks; 3-Neoproterozoic (?) metamorphic rocks; 4-Early Paleozoic subduction accretion complex; 5-Early Paleozoic sedimentary formation; 6-Late Palaeozoic-Mesozoic sedimentary formation; 7-Cenozoic sedimentary rocks; 8-HP/LT metamorphic rocks; 9-ultra high pressure metamorphic rock; 10-granite; 11-fault zone; 12-mafic-ultramafic intusions with Ni-Cu mineralization; (b) 1-Quaternary; 2-biotite plagiogneiss; 3-mixed rock gneiss; 4-quartz diorite; 5-gabbro; 6-olivine websterite; 7-lherzolite; 8-nickel mine; 9-fracture; 10-drilling and number; 11-exploration line and number. Age resource: Niubiziliang(Qian et al., 2015); Binggounan(Zhang et al., 2017); Kaimuqi(Liu et al., 2018); Lalinggaoligounao(Wang et al., 2017); Xiaojianshan(Wang et al., 2017); Xiarihamu(Li et al., 2015); Shitoukengde (Zhang et al., 2018); Gaxiuyaping(Zhou et al., 2015); Hudengsheng(Qian et al., 2017)

盐场北山镁铁-超镁铁质岩体位于柴北缘早古生代结合带西端(图 1b),区内出露地层单一,为古元古代金水口岩群,岩性为黑云斜长片麻岩(Pt1J1)及混合岩化片麻岩(Pt1J2)。构造以断裂构造为主,主要分布于矿区中东部(图 1b),走向近东西,为阿尔金区域性主断裂的次级断裂;此外,在岩体内部也见大量的近东西向断裂发育,为后期破矿构造。区内出露的侵入岩为镁铁-超镁铁岩和石英闪长岩,镁铁-超镁铁岩分布于矿区中部,为区内镍铜矿体的赋矿岩体,侵位于古元古代金水口岩群混合岩化片麻岩中,走向南东,与围岩片麻理产状基本一致石。石英闪长岩主要分布于矿区中南部,呈北西向带状岩基产出,侵位于金水口岩群混合岩化片麻岩中;部分呈脉状穿插于镁铁-超镁铁岩内部,沿北东-南西向裂隙贯入基性-超级岩体内部或周围金水口岩群变质岩中,一般宽2~20m,长50~500m,为燕山期岩浆作用的产物(青海省柴达木综合地质矿产勘查院, 2014)。

2 含矿岩体特征 2.1 岩体及矿(化)体特征

镁铁-超镁铁质岩体呈岩珠状侵位于金水口岩群变质岩中,长约2500m,宽500~1000m,走向约145°,深部向南东向侧伏,岩体中部被第四系冲积物覆盖,地表出露面积约0.5km2。岩体由橄榄岩相、辉石岩相和辉长岩相组成(图 1b),橄榄岩相岩石分布与矿区中东部,呈北西向展布,由二辉橄榄岩组成;辉石岩相岩石出露面积较大,分布于橄榄岩相边部,主要由橄榄二辉岩和少量二辉岩组成;辉长岩在岩体中部和东南部由少量出露。钻孔(ZK0101、ZK0102、ZK0301、ZK0302、ZK0502、ZK0503、ZK0701、ZK0702)揭露表明,橄榄岩主要分布于岩体中上部,在钻孔ZK0301和ZK0302部位厚度达到最大(161~179m),辉石岩和辉长岩在橄榄岩中相间出现。岩体从浅部到深部总体表现出橄榄岩-辉石岩-辉长岩变化特征,镍铜矿(化)体多赋存在上部的橄榄岩及辉石岩中。

截止目前共圈定Ni-Cu矿(化)体37条,其中Ni矿化体26条、Cu矿化体4条、Ni-Cu复合矿化体7条(青海省柴达木综合地质矿产勘查院, 2014)。矿(化)体延伸长度、厚度均较小。矿体多为单工程控制,东部岩体矿化强于西部,矿(化)体产状变化较大,总体走向为NW向,向南东向侧伏。长度一般为12~50m,最长90m;厚度一般1~3m,在钻孔ZK0301和ZK0302位置见矿厚度最大,为8.93~11.88m。Ni金属平均品位一般0.20%~0.27%,最高0.46%。Cu金属平均品位一般0.20%~0.25%,最高0.51%;矿石构造为斑杂状、浸染状、稀疏浸染状和星点状构造,金属硫化物主要为镍黄铁矿、磁黄铁矿和黄铜矿。

2.2 岩石特征

通过野外地质现象及镜下鉴定,盐场北山镁铁-超镁铁质杂岩体的主要岩石特征如下:

(角闪)二辉橄榄岩 主要分布于岩体中部,北东向长条状展布,多呈脉状产出,为区内镍铜矿(化)体的主要赋矿岩石。岩石呈深绿-深黑色,他形-半自形晶中粗粒结构,块状构造,主要由橄榄石(40%~65%)、斜方辉石(15%~20%)、单斜辉石(10%~15%)、角闪石(3%~8%)和少量黑云母(0~1%)等组成。橄榄石呈自形-半自形晶圆粒状,裂理发育(图 2a),粒径0.05~0.50mm,蛇纹石化强烈;斜方辉石和单斜辉石含量基本相同,呈半自形-他形晶结构,粒径0.50~2.00mm,可见辉石包裹橄榄石现象(图 2a),斜方辉石表面多发生蛇纹石化,单斜辉石多发生透闪石化、绿泥石化。二辉橄榄岩中金属硫化物呈稀疏浸染状分布,主要由磁黄铁矿、黄铜矿和少量镍黄铁矿组成,在磁黄铁矿边部或裂隙中可见镍黄铁矿出溶的现象(图 2c),部分金属硫化物出现被橄榄石颗粒包裹的现象(图 2d)。

图 2 盐场北山镁铁-超镁铁质岩体显微照片 (a)正交偏光下二辉橄榄岩;(b)正交偏光下橄榄二辉岩;(c)镍黄铁矿沿磁黄铁矿边部出溶;(d)橄榄石包裹金属硫化物.矿物缩写:Ol-橄榄石;Opx-斜方辉石;Cpx-单斜辉石;Po-磁黄铁矿;Pn-镍黄铁矿;Sul-硫化物;Spl-铬尖晶石 Fig. 2 Micrograph illustrating minerals of the Yanchangbeishan mafic-ultramafic rocks (a) lherzolite under orthogonally polarized light; (b) olivine websterite under orthogonally polarized light; (c) pentlandite and pyrrhotite; (d) olivine wrapped by sulfide. Mineral abbreviation: Ol-olivine; Opx-orthopyroxene; Cpx-clinopyxene; Po-pyrrhotine; Pn-pentlandite; Sul-sulfide; Spl-chrome-spinel

橄榄二辉岩 镁铁-超镁铁质杂岩体中出露面积最广的岩石,分布于橄榄岩边部或下部。岩石呈深灰-灰黑色,半自形晶中-细粒结构,块状构造。由橄榄石(25%~40%)、斜方辉石(25%~30%)、单斜辉石(25%~35%)、褐色普通角闪石(3%~5%)及少量的斜长石(5%~10%)等组成。橄榄石呈自形-半自形晶粒状,粒径0.30~2.50mm,蛇纹石化强烈;辉石由斜方辉石和单斜辉石组成(图 2b),二者含量基本相同,均呈他形-半自形晶粒状结构,粒径0.10~2.50mm,多数为0.50~1.00mm;角闪石多分布于斜方辉石粒间,呈半自形晶板柱状,粒径0.20~2.00mm;黑云母呈他形不规则状,粒径0.05~0.50mm;斜长石多充填于辉石粒间,呈他形晶不规则状,粒径0.10~0.40mm。

辉长岩 分布于辉石岩边部或岩体最下部。岩石呈浅灰绿色,自形-半自形粒状结构,块状构造。主要由斜长石(50%~60%)、辉石(35%~40%)和角闪石(5%~10%)组成,斜长石为基性斜长石,呈半自形晶柱状结构,粒径0.10~2.50mm;辉石主要为斜方辉石,少部分为单斜辉石,呈他形晶粒状结构,粒径0.10~2.00mm;角闪石主要分布于辉石粒间,呈他形晶粒状结构,粒径0.20~1.00mm;黑云母常与辉石伴生,呈他形晶不规则状,粒径0.05~0.30mm。

3 样品采集及测试分析方法

本文对区内与铜镍矿化有关的橄榄二辉岩进行了锆石U-Pb同位素测年工作,对二辉橄榄岩、橄榄二辉岩和辉长岩进行了岩石地球化学测试分析工作,对岩石中橄榄石、辉石、角闪石等进行了电子探针矿物成分分析工作。造岩矿物成分分析在长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验完成,使用仪器为JXI-8100型电子探针,加速电压15kV,束电流为1.0×10-8A,束斑直径1μm。

岩石主量、微量、稀土元素分析在中国地质调查局西安地质调查中心国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成,其中主量元素分析仪器为荷兰帕纳科公司Axios 4.0kw顺序式-X射线荧光光谱仪(XRF),分析精度优于5%;微量和稀土元素分析仪器为美国热电公司Series Ⅱ型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS),分析精度优于5%~10%。

锆石CL图像在西北大学大陆动力学国家重点实验室电子探针仪加载的阴极发光仪上完成。锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb定年测试分析在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成,定年分析仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统。激光剥蚀束斑直径为25μm,以He为载气。对锆石标准的定年精度和准确度在1%(2σ)左右,锆石U-Pb定年以锆石GJ-1为外标,U、Th含量以锆石M127(U: 923×10-6; Th: 439×10-6; Th/U: 0.475)(Sláma et al., 2008)为外标进行校正。数据处理采用ICPMSDataCal程序(Liu et al., 2010),锆石年龄及谐和图绘制用Isoplot 3.0程序。详细分析步骤和数据处理方法见侯可军等(2009)

锆石Hf同位素测试在中国地质科学院矿产资源研究所国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室Neptune多接收等离子质谱和Newwave UP213紫外激光剥蚀系统(LA-MC-ICP-MS)上进行的,实验过程中采用He作为剥蚀物质载气,剥蚀直径为55μm,测定时使用锆石国际标样GJ-1作为参考物质,分析点与U-Pb定年分析点为同一位置。相关仪器运行参数及详细分析流程见侯可军等(2007)。分析过程中锆石标准GJ-1的176Hf/177Hf测试加权平均值为0.281993±15(2SD,n=21),与文献报道值(Elhlou et al., 2006; 侯可军等, 2007)在误差范围内完全一致。

4 实验结果 4.1 矿物成分

盐场北山镁铁-超镁铁质岩石原生矿物主要由橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和角闪石等组成,各矿物组成成分及特征如下:

橄榄石 在橄榄岩相和辉石岩相岩石中均有大量分布(表 1),二辉橄榄岩中的橄榄石Fo为84.3~87.6,橄榄二辉岩中橄榄石Fo为82.8~86.7,各岩相中橄榄石均为贵橄榄石。同一钻孔(ZK0502)中,从浅部(55m)到深部(281m),岩石橄榄石Fo呈现先升高后降低趋势,在200m处达到最大,与岩浆演化过程中岩石基性程度的变化规律一致。

表 1 盐场北山岩体各类岩石中橄榄石电子探针数据(wt%) Table 1 EMPA results (wt%) of olivine from the Yanchangbeishan intrusion

斜方辉石 主要分布于二辉橄榄岩中,少量于橄榄二辉岩中(表 2)。二辉橄榄岩中斜方辉石的镁端元(En)为73~84,橄榄二辉岩中En为80~83。斜方辉石在各类岩石中En介于73~84之间,均为古铜辉石,各岩相中En分子未见明显变化规律。

表 2 盐场北山岩体各类岩石中辉石电子探针数据(wt%) Table 2 EMPA results (wt%) of pyroxene from the Yanchangbeishan intrusion

单斜辉石 在二辉橄榄岩中为透辉石和普通辉石,在橄榄二辉岩中为透辉石、普通辉石和顽透辉石(表 2)。单斜辉石En介于43~68之间,Fs介于7~14之间,Wo介于25~47之间。单斜辉石各端元在不同岩相之间未见明显变化规律。

角闪石 主要分布于橄榄二辉岩中(表 3),少量在二辉橄榄岩和辉长岩中。主要为铁韭闪石和绿钙闪石。各类岩石中角闪石Al2O3含量范围为10.01%~13.96%,Si/(Si+Ti+Al)介于0.67~0.76之间。

表 3 盐场北山岩体各类岩石中角闪石电子探针数据(wt%) Table 3 EMPA results (wt%) of amphibole from the Yanchangbeishan intrusion
4.2 锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb测年

本次选取矿区内与铜镍矿化有关的橄榄二辉岩(ZK0502-115)进行锆石U-Pb同位素测年工作。锆石多为自形-半自形晶柱状结构,锆石中Th/U比值变化范围在0.55~2.32之间(表 4),均远高于0.1,均属于岩浆成因锆石(Belousova et al., 2002)。阴极发光图像显示,锆石均具有较清晰的内部结构和岩浆振荡环带,不具有核-幔结构(图 3a),表明这些锆石是岩浆形成后一次结晶形成,其同位素年龄应代表岩浆冷却结晶及岩体侵位的时代。橄榄二辉岩锆石在进行普通铅校正后的有效数据点为28个(表 4),206Pb/238U表观年龄为252.4±4.6Ma~265.5±7.5Ma,加权平均年龄为258.5±1.6Ma(MSWD=0.45),在206Pb/238U-207Pb/235U谐和图上测试分析数据均落在谐和线上(图 3b)。因此,橄榄二辉岩的形成年龄为258.5±1.6Ma,属于晚二叠世。

图 3 盐场北山岩体橄榄二辉岩锆石阴极发光图像示εHf(t)及U-Pb年龄值(a)和锆石U-Pb谐和线图(b) Fig. 3 Zircon CL images for microbeam analyzed spots with εHf(t) values and apparent U-Pb ages (a) and zircon U-Pb concordia diagram (b) of the Yanchangbeishan olivine websterite

表 4 场北山岩体橄榄二辉岩(样品ZK0502-115) LA-ICP-MS锆石分析数据 Table 4 Zircon LA-ICP-MS analytical data of the Yanchangbeishan olivine websterite (Sample ZK0502-115)
4.3 锆石Hf同位素特征

橄榄二辉岩(ZK0502-115)28个分析点的锆石Hf分析数据比较均一(表 5),176Lu/177Hf比值从0.000270~0.001364,均小于0.0020,表明橄榄二辉岩中的锆石在形成之后放射成因的Hf未明显积累。(176Hf/177Hf)i(初始值)的范围为0.282612~0.282800;εHf(t)值均为正值,变化范围为0.1~6.7,平均值为3.1;fLu/Hf变化范围为-0.99~-0.96。

表 5 盐场北山橄榄二辉岩(样品ZK0502-115)锆石Hf同位素分析结果 Table 5 Hf isotopic compositions of the Yanchangbeishan olivine websterite (Sample ZK0502-115)
4.4 岩石地球化学特征

本次对盐场北山岩体二辉橄榄岩、橄榄二辉岩和辉长岩进行了岩石地球化学分析工作,主量元素测定结果见表 6。SiO2含量介于41.15%~51.12%之间,平均值为44.03%,为镁铁-超镁铁质岩石;Al2O3含量为3.31%~9.97%;CaO含量为1.87%~7.27%;TiO2含量为0.22%~0.77%;Na2O含量为0.05%~1.47%;K2O含量为0.10%~0.64%;MgO含量为14.56%~34.27%。岩石m/f值为2.31~5.15,为铁质系列镁铁-超镁铁岩。除两件辉长岩样品Mg#值为0.73和0.70之外,其余超镁铁质样品Mg#值变化范围为0.83~0.84,总体处于与橄榄岩平衡的原生岩浆的Mg#值范围(0.65~0.73; Frey and Prinz, 1978)之上,表明岩浆演化早期发生了橄榄石堆晶作用。从超镁铁岩到镁铁岩,岩石Mg#和m/f值呈现逐渐降低趋势,这与镁铁-超镁铁岩浆正常结晶分异演化过程相一致。

表 6 盐场北山岩体主量(wt%)、稀土和微量元素(×10-6)分析结果表 Table 6 Compositions of major element (wt%) and trace element (×10-6) of the Yanchangbeishan intrusion

在SiO2-Na2O+K2O岩石分类图解中(图 4),二辉橄榄岩和橄榄二辉岩样品均落入橄榄辉长岩区域,辉长岩样品落入辉长岩区域,所有岩石均为亚碱性系列。岩石主要氧化物与MgO的相关性表明(图 5):SiO2、Al2O3、CaO、TiO2、Na2O+K2O的与MgO均呈现明显的负相关关系,Fe2O3T与MgO则呈现弱正相关性,这些特征表明岩石受橄榄石、斜方辉石和单斜辉石为主的堆积相控制。各类岩石主量元素发生规律性变化,表明区内二辉岩橄榄岩、橄榄二辉岩岩和辉长岩为同源岩浆分异而成。

图 4 盐场北山岩体岩石化学系列分类图 Fig. 4 Classification of rocks chemical series of Yanchangbeishan intrusions

图 5 盐场北山岩体主量元素氧化物与MgO相关性图 Fig. 5 Diagrams of the major oxides versus MgO of the Yanchangbeishan intrusion

稀土元素特征显示,二辉橄榄岩(25.46×10-6~31.14×10-6)、橄榄二辉岩(31.93×10-6~68.94×10-6)和辉长岩(53.35×10-6~112.0×10-6)的稀土元素总量(∑REE)呈逐渐增高的趋势。不同岩石轻重稀土比值LREE/HREE范围基本一致,介于4.93~9.88之间,(La/Yb)N值分别为5.00~11.6、6.89~13.8、4.28~5.66,δEu值分别为0.67~0.87、0.78~0.85、0.50~0.70,轻重稀土元素之间及轻元素内部分馏均较强,重稀土元素分馏较弱。在球粒陨石标准化稀土元素图解上(图 6a),各类岩石均为轻稀土富集的右倾型分布模式,且岩石均具有明显的δEu负异常特征,表明岩浆在演化过程中发生了一定程度的斜长石分离结晶作用。不同类型岩石稀土元素特征相似,配分形式一致,曲线接近平行分布,为同源岩浆演化的产物。

图 6 盐场北山镁铁-超镁铁质岩石球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素配分图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 6 Chondrite-normalized REE distribution patterns (a) and primitive-mantle-normalized trace element distribution patterns (b) of the Yanchangbeishan mafic-ultramafic Rocks (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

原始地幔标准化微量元素蛛网图显示(图 6b),各类岩石均显著富集大离子亲石元素Cs、Rb、Ba、Sr、Th,而强烈亏损Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等高场强元素。大离子亲石元素的富集程度明显高于高场强元素,随着相容性增加,富集程度逐渐降低,表现出岩浆结晶分异的特征。各类样品微量元素特征基本一致,曲线基本平行,表现出较好的一致性,反映了镁铁岩和超镁铁岩为同源岩浆结晶分异演化而成。

5 讨论 5.1 原生岩浆及母岩浆

盐场北山岩体全岩稀土配分曲线表现为轻稀土(LREE)富集型式,并具有较高的稀土总量(25.46×10-6~112.0×10-6),暗示岩石不是由超镁铁质岩浆演化形成,超镁铁质岩浆主要形成于地幔岩高度的部分熔融或强烈亏损地幔的(熔融残留)熔融,具有重稀土富集或平坦型的稀土配分形式(Sun and McDonough, 1989);也不可能是残余地幔,较高的稀土总量表明没有不相容元素的显著亏损。因此,可以初步推断盐场北山岩体原始岩浆为玄武质岩浆。

对于玄武岩浆MgO含量的估算通常利用橄榄石-熔体平衡原理,前人通过实验岩石学及岩石地球化学对岩浆熔体与橄榄石平衡的Fe2+、Mg比值关系进行了大量研究(Roeder and Emslie, 1970; Hanson and Langmuir, 1978; Ulmer, 1989),获得结晶分异演化条件下(较低压条件下)Mg-Fe分配系数KD=(Fe/Mg)Ol/(Fe/Mg)magma为0.30±0.03(Roeder and Emslie, 1970)。已有研究表明,Fo最高的橄榄石组分可能更接近于液相线橄榄石的组成(Krishnamurthy et al., 2000),在盐场北山二辉橄榄岩中获得的橄榄石Fo最大值为87.6,该样品(ZK0502-138)的FeO含量为10.42%。假定橄榄石与熔体之间的Fe-Mg分配系数为0.32(Roeder and Emslie, 1970),通过计算公式MgO=0.56095KD×Fo/(1-Fo)×FeO得出岩浆中MgO含量为13.21%。由于岩浆中早期结晶的橄榄石与残余熔体之间会发生再平衡,岩石中橄榄石镁含量比其在原生岩浆中结晶时的橄榄石稍低,由此可以推测盐场北山原生岩浆的MgO含量应略高于13.21%,为高镁拉斑玄武质岩浆。

幔源岩浆在上侵过程中通过各种作用(分异作用、同化作用、混合作用)演化为含矿母岩浆,研究母岩浆形成时的物理化学条件对认识成岩成矿过程具有重要意义。盐场北山岩体各类岩石中均出现了一定含量的角闪石,已有研究表明,岩浆中钙质角闪石的化学成分与岩浆来源之间关系密切(马润则等, 1997)。随着温度和压力的增高,钙质角闪石的Si含量有规律的降低,角闪石Si/(Si+Ti+Al)值在壳源区和幔源区之间出现间断(姜常义和安三元, 1984)。研究表明,壳源角闪石的Si/(Si+Ti+Al)值不低于0.775,而幔源角闪石则不大于0.765。盐场北山各类岩石中角闪石的Al2O3含量均大于10%,Si/(Si+Ti+Al)值的范围为0.673~0.758(表 3),属于幔源角闪石,为岩浆结晶分异而成。实验岩石学研究表明角闪石中Al元素含量与平衡压力之间存在较好的线性关系,根据Hollister et al. (1987)Schmidt (1992)提出的计算公式获得盐场北山二辉橄榄岩中角闪石结晶时的压力为0.546~0.562GPa,橄榄二辉岩中角闪石结晶压力为0.568~0.717GPa,辉长岩中角闪石的结晶压力为0.387~0.427GPa(表 3)。从各类角闪石形成的压力范围可以看出,二辉橄榄岩和橄榄二辉岩形成压力基本相同,大致相当于23.6~18.7km的(深部岩浆房)深度;辉长岩形成时岩浆经历了明显的降压过程,深度为14.1~12.8km。可以看出,盐场北山岩体母岩浆在深部岩浆房已发生了分离结晶作用,形成了超镁铁质岩石;而辉长岩则形成于岩浆继续上升过程中的较低压浅部地壳环境,暗示辉长岩就位时,镁铁质岩石在构造作用下已抬升至地壳浅部,最终形成盐场北山岩体。

5.2 岩浆演化

幔源岩浆在不断向地壳浅部演化过程中达到S饱和是形成岩浆铜镍硫化物矿床的关键。分离结晶作用和地壳混染作用是造成硫化物饱和的主要方式,也是幔源岩浆演化的重要过程(Li et al., 2013; Liu et al., 2015, 2017a, b)。

分离结晶作用以改变岩浆成分的方式控制着岩浆演化趋势。岩相学研究表明,盐场北山岩体发生了明显的结晶分异作用,岩体内出现了橄榄岩相、辉石岩相和辉长岩相的分带特征,且各岩相带之间为渐变过渡接触关系,为同源岩浆发生分异而成。地球化学特征表明,二辉橄榄岩和橄榄二辉岩样品Mg#值变化范围为0.83~0.84,总体处于与橄榄岩平衡的原生岩浆的Mg#值范围(0.65~0.73; Frey and Prinz et al., 1978)之上,表明岩浆演化早期发生了橄榄石堆晶;辉长岩样品Mg#值为0.73和0.70,其成分接近于斜长石与辉石的共结点附近,暗示岩浆发生了辉石和斜长石的分离结晶;在岩石主要元素与MgO地球化学图解中,Fe2O3T与MgO则呈现正相关性协变关系,是橄榄石、铬尖晶石等早期结晶矿物相发生分离结晶的表现;SiO2、Al2O3、CaO、TiO2、Na2O+K2O与MgO呈现负相关关系,是由于单斜辉石和斜长石发生分离结晶作用引起,这些变化规律表明结晶分异作用控制岩浆的主要化学成分的变化;同时,各类岩石微量元素Eu的亏损也显示岩体发生了斜长石的分离结晶作用;此外矿物晶体化学研究表明,盐场北山岩体造岩矿物橄榄石和斜方辉石以富镁为特征,橄榄石Fo(82.8~87.6)和斜方辉石En(73~84)变化范围大,暗示岩浆分异充分。

地壳混染作用是制约镁铁-超镁铁质岩浆演化过程的重要机制之一。判断是否发生同化混染作用及混染程度主要通过野外地质证据和一系列岩石地球化学指标进行判断。野外地质观察发现,在岩体与围岩接触部位,可见岩体同化围岩的现象,局部同化不均匀,出现围岩呈捕掳体状被岩体包裹(青海省柴达木综合地质矿产勘查院, 2014),围岩成分多为片麻岩或角闪片岩等,这与近年来柴达木盆地周缘新发现的夏日哈木、牛鼻子梁、石头坑德、冰沟南等含镍铜矿化镁铁-超铁质岩体具有相似的围岩同化混染特征(Li et al., 2015; 姜常义等, 2015; 钱兵等, 2015, 2017; 张照伟等, 2015, 2017)。地球化学研究表明,壳源物质的加入会导致幔源岩浆中大离子亲石元素SiO2、K2O和Zr、Hf、Th、Sc、Rb、Ba等的丰度增加,也会也会升高La/Nb、Zr/Nb比值,并降低Ti/Yb、Ce/Pb的比值(Macdonald et al., 2001; Baker et al., 2014; Baker et al., 1997),利用岩石中这些相对稳定且具有指示意义的元素协变关系,可以准确判断同化混染作用的存在及发生程度(Macdonald et al., 2001; Baker et al., 1997, 2014;姜常义等, 2015)。在Ce/Pb-Nb/Hf图解(图 7a)和Ce/Pb-Nb/U图解(图 7b)中,盐场北山各类岩石数据特征与原始地幔、洋岛玄武岩和洋中脊玄武岩明显不同,更接近平均地壳范围,初步可以得出岩体形成过程过程中有大量地壳物质的加入。Y/Nb-Zr/Nb图解显示混染的物质可能来源于上地壳(图 7c)。Neal等提出可以用(La/Nb)PM和(Th/Ta)PM值来区分上地壳和下地壳物质的混染作用(Neal et al., 2002),图 7d显示各类岩石中的微量元素出现向上地壳演化趋势,进一步说明即盐场北山岩体在侵位过程中遭受了上地壳的物质的混染。

图 7 盐场北山岩体微量元素相关性图解 Fig. 7 Trace element correlation diagram of the Yanchangbeishan intrusion
5.3 岩浆源区及构造意义

锆石Hf同位素因形成封闭温度高、相对其它矿物稳定、准确记录不同岩浆源区性质的源岩特征及不易受后期热液事件影响(Amelin et al., 1999; Griffin et al., 2002),已成为探讨岩浆起源、地壳演化及壳幔相互作用过程的重要工具。盐场北山橄榄二辉岩锆石Hf同位素特征显示,(176Hf/177Hf)i(初始值)的范围为0.282612~0.282800,εHf(t)均为正值,变化范围为0.1~6.7之间,平均值为3.1,具有幔源岩浆成因特征。在(176Hf/177Hf)iεHf(t)与年龄(Ma)图中(图 8),样品全部落入球粒陨石演化线上或靠近亏损地幔一侧,暗示锆石形成于源自较球粒陨石εHf(t)稍有分异的原始地幔岩浆,有部分洋壳物质的参与(郑永飞等, 2007; 唐冬梅等, 2009)。

图 8 盐场北山二辉橄榄岩锆石Hf同位素图解 Fig. 8 Zircon Hf isotopic diagram of the Yanchangbeishan lherzolite

盐场北山岩体富集轻稀土元素,轻、重稀土元素之间和轻稀土元素之间分馏强,而重稀土元素之间分馏弱,富集大离子亲石元素(Rb、Ba、Sr),而强烈亏损Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等高场强元素,与典型岛弧环境地球化学特征岩浆岩特征一致。Ti、Nb、Ta元素出现显著亏损(即“TNT”负异常),被认为是岛弧系统岩浆岩微量元素组合的典型特点之一,这是由于在岛弧系统中,如果交代过程中角闪石发生分异或者地幔楔发生部分熔融时,金红石及榍石作为残留相会使得残余岩浆中亏损Ti、Nb、Ta(Ringwood, 1990; Ionov and Hofmann, 1995)。同时,岩体中含有许多含水矿物(如角闪石、黑云母等),说明岩浆源区具有富水特征。微量元素地球化学及矿物学均指示盐场北山岩体的地幔源区可能经历了俯冲事件的交代作用。已有研究表明,在地幔楔受流体交代作用过程中不仅会使残余岩浆中亏损Nb、Ta、Ti等元素,而且还会引起分配系数相似的不相容元素(如La、Ba、Th、Nb、Rb)发生分异,导致La/Nb、Ba/Na值升高、Nb/Th值降低。在Zr-Nb图解中,样品均落入亏损型地幔与过渡型地幔接触带部位(图 9a);在La/Nb-La/Ba图解中,样品多数位于受俯冲改造的岩石圈地幔区域(图 9b)。综合以上分析,盐场北山岩体岩浆源区为受俯冲洋壳析出流体交代过的地幔。

图 9 盐场北山镁铁-超镁铁质岩石岩浆源区判别图 Fig. 9 Discrimination diagrams of magma source for the Yanchangbeishan mafic-ultramafic rocks

盐场北山岩体位于柴达木北缘早古生代结合带西段。目前较统一的认识是,近东西向的柴北缘(赛什腾-鱼卡-沙柳河)造山带基本格架在早志留世已经初步形成(许志琴等, 1999; 李荣社等, 2008; 杨经绥等, 2009),中志留统-泥盆系广泛分布的牦牛山组伸展型磨拉石建造及早、中泥盆世缺失的沉积记录表明柴北缘地区在晚古生代造山隆升作用非常强烈(郝国杰等, 2004; 辛后田等, 2006)。吴才来等(2008)认为柴北缘晚古生代的隆升与柴达木地块向祁连地块的俯冲碰撞有关,并在柴北缘西段冷湖地区形成具有岛弧性质的海西期花岗闪长岩(吴才来等, 2001)。也有学者认为,在晚二叠世,受巴颜喀拉洋扩张的远程效应影响,柴达木地块向祁连地块发生俯冲碰撞(辛后田等, 2006),俯冲作用过程中形成流体交代作用的玄武质岩浆和花岗质岛弧岩浆,如,冷湖辉长岩(254±3Ma;董增产等, 2014)、盐场北山英云闪长岩(263±2Ma;邱士东等, 2015)和黑云母二长花岗岩(254±4Ma;董增产等, 2015)。综合以上认为,柴北缘造山带在晚二叠世已进入俯冲消减机制下的构造背景。本次研究的盐场北山镁铁-超镁铁质岩体位于柴北缘构造带西段,成岩时代为258.5±1.6Ma,形成于柴北缘晚二叠世岛弧环境,具有活动大陆边缘性质。

5.4 成矿条件

大量研究表明,要有效的优选出赋含岩浆硫化物矿床的镁铁质-超镁铁岩体,必须从构造环境、岩浆源区、岩浆性质、岩体类型、岩浆分异程度、同化混染、岩浆含水量、矿物学、造岩矿物晶体化学、岩石元素地球化学等方面进行综合评价(姜常义等, 2015)。

盐场北山镁铁-超镁铁质岩体位于柴达木北缘造山带中,形成于晚二叠世岛弧环境,具有活动大陆边缘性质,与新疆东天山黄山东铜镍矿床(邓宇峰等, 2011)具有相似的镍矿成矿背景,显示出一定条件的铜镍矿成矿潜力;岩体原生岩浆MgO含量为13.21%,与金川、夏日哈木、黄山东等岩体一样,属于高镁拉斑玄武质岩浆,有利于成矿。

分离结晶作用和地壳混染作用是造成硫化物饱和的主要方式(Li et al., 2013),前述研究表明,岩体具有明显的橄榄岩相、辉石岩相和辉长岩相的分带特征,岩体的Mg#值、主量元素Fe2O3T、SiO2、Al2O3、CaO、TiO2、Na2O+K2O与MgO的规律性变化关系及橄榄石Fo值和斜方辉石En值变化范围等,均暗示岩浆发生了强烈的结晶分异作用,此外,SiO2、K2O和Zr、Hf、Th、Sc、Rb、Ba的比值变化关系和野外地质混染证据也显示岩浆发生了一定程度的同化混染作用。

岩浆含水量是评价岩体含矿性的重要指标,这是因为富水的幔源岩浆往往部分熔融程度较高,有利于更多的硫化物进入岩浆。盐场北山岩浆源区为受俯冲洋壳析出流体交代过的地幔,暗示岩浆形成过程中具有大量流体的参与;矿物学特征亦表明,橄榄岩相、辉石岩相和辉长岩相中均普遍含有褐色普通角闪石,表明岩浆普遍含水。

Naldrett (1999)认为未分异的饱和硫化物的岩浆中橄榄石正常Ni含量为2500×10-6,只有当橄榄石中Ni亏损到2200×10-6以下时,硫化物在岩浆可能发生过熔离,盐场北山二辉橄榄岩、橄榄二辉岩中NiO平均含量均为0.23%(表 1),对应的Ni含量为1816×10-6和1783×10-6,一般认为橄榄石中Ni含量越低越有利于成矿,盐场北山橄榄石Ni含量表明岩浆经历一定程度的硫化物熔离作用。岩相学特征表明,部分金属硫化物被较高Fo值的橄榄石颗粒(Fo=86.3)包裹的现象(图 2d),表明在橄榄石形成初期岩浆中金属硫化物已达到饱和并发生了熔离。

此外,野外露头及钻孔揭露表明,橄榄二辉岩中含有一定含量浸染状磁黄铁矿、黄铜矿和镍黄铁矿,局部已形成达工业品位可供开采的镍铜矿化体,镍铜成矿已成事实。

6 结论

(1) 盐场北山岩体由橄榄岩相、辉石岩相和辉长岩相组成,镍铜矿化呈稀疏浸染状、星点状分布于橄榄岩和辉石岩中,硫化物在橄榄石结晶早期达到饱和并发生熔离,属于岩浆熔离型矿化。橄榄二辉岩锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄为258.5±1.6Ma,形成于柴北缘造山带晚二叠世岛弧环境,具有活动大陆边缘性质。

(2) 岩石原生矿物为橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和角闪石。橄榄石均为贵橄榄石,岩石从超基性岩到基性岩,橄榄石Fo分子呈降低趋势。斜方辉石主要为古铜辉石,单斜辉石为透辉石、普通辉石和顽透辉石,角闪石主要为铁韭闪石和绿钙闪石。

(3) 盐场北山岩体岩石化学组成属于亚碱性岩系列,岩石SiO2、Al2O3、CaO、TiO2、Na2O+K2O等主要氧化物与MgO呈规律性变化趋势,不同类型岩石微量元素和稀土元素特征基本一致,配分形式一致,曲线接近平行分布,为同源岩浆演化的产物。岩石原生岩浆MgO含量应略高于13.21%,为高镁拉斑玄武质岩浆,成矿母岩浆侵位于23~18km的(岩浆房)深度,并结晶于下地壳。

(4) 岩石结晶过程中发生了强烈的结晶分异作用和同化混染作用,结晶分异作用在岩浆演化的初期使岩浆中硫发生初步富集,古元古代金水口岩群的混染是岩浆中硫化物达到饱和并发生熔离的主要因素。

(5) 橄榄二辉岩锆石Hf同位素显示εHf(t)均为正值,变化范围为0.1~6.7之间,平均值为3.1,具有幔源岩浆成因特征。微量元素显示富集大离子亲石元素(Rb、Ba、Sr),而强烈亏损Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等高场强元素,与典型岛弧环境地球化学特征岩浆岩特征一致,盐场北山岩体岩浆源区为受俯冲洋壳析出流体交代过的地幔。

(6) 从形成岩体的构造环境、岩浆源区、岩浆性质、岩体类型、岩浆分异程度、同化混染、岩浆含水量、矿物学、造岩矿物晶体化学、岩石元素地球化学等方面综合评价,认为盐场北山具有良好的镍铜成矿条件。

致谢      野外工作得到了青海省柴达木综合地质矿产勘查院野外一线工作人员刘长征教授级高级工程师和青海省核工业地质局第二地质大队刘会文高级工程师、王永刚工程师等人的大力协助;样品测试和数据处理过程中得到了中国地质科学院侯可军副研究员和中国地质调查局西安地质调查中心叶芳研究员、吕鹏瑞工程师的帮助;审稿过程中得到了审稿专家及编辑部提出的宝贵修改意见;在此一并表示衷心的感谢。

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